用于脂肪肝分級(jí)診斷的超聲圖像增強(qiáng)算法*

王正發(fā)，欒強(qiáng)厚，黃鑫，彭國華，武劍輝, 2△

(1.廣東睿超電子科技有限公司，東莞 523808；2. 電子科技大學(xué)，成都 610054；3. 深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司，深圳 518057)

1 引 言

脂肪肝是一種十分常見的肝臟疾病，是指由于各種原因引起的肝細(xì)胞內(nèi)脂肪堆積過多的病變。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國城市人口中有大約10%的人都患有不同程度的脂肪肝，并且脂肪肝的發(fā)病率近年來不斷增加，因此，脂肪肝已經(jīng)成為了一個(gè)民眾十分關(guān)注的公共健康問題[1]。當(dāng)前臨床上對(duì)脂肪肝進(jìn)行診斷最常用的手段是超聲檢查，因?yàn)槌暀z查操作簡單，價(jià)格相對(duì)低廉，并且對(duì)患者無創(chuàng)傷以及可多次重復(fù)檢查。

目前，臨床上由于超聲成像機(jī)理本身的限制，同時(shí)受到超聲波信號(hào)本身成分復(fù)雜和各種噪聲干擾的影響，導(dǎo)致了超聲圖像在分辨一些組織細(xì)微結(jié)構(gòu)差異上有一定的不足，并且人的眼睛對(duì)超聲灰度圖像的分辨能力也比較有限[2]。這些原因使得正常肝和不同程度脂肪肝之間在超聲圖像上的特征差異不夠明顯，從而導(dǎo)致診斷醫(yī)師在對(duì)脂肪肝進(jìn)行分級(jí)診斷時(shí)具有一定的難度和不確定性[3]。本研究針對(duì)這一現(xiàn)狀提出一種脂肪肝超聲圖像的增強(qiáng)處理方法，該方法在提高超聲圖像對(duì)脂肪肝的分級(jí)診斷能力上有一定的幫助。

2 灰度的分段線性變換處理

肝臟超聲圖像上的脂肪肝特征主要包括三個(gè)方面：超聲波回聲強(qiáng)度從前場到后場逐漸減弱、血管組織部位顯示不清晰、超聲前場中出現(xiàn)“亮肝”現(xiàn)象。脂肪肝程度越重，則前后場回聲的減弱越厲害，血管組織部位的顯示越不清晰，同時(shí)前場中出現(xiàn)的“亮肝”現(xiàn)象也越明顯。通過放大超聲圖像中強(qiáng)回聲和弱回聲之間的對(duì)比，可以更加凸顯出其脂肪肝的特征，使得這些特征在不同程度脂肪肝圖像之間的差異更明顯，更加有助于對(duì)脂肪肝進(jìn)行分級(jí)診斷[4，8]。

灰度的分段線性變換法[6]是對(duì)不同值域區(qū)間的圖像灰度進(jìn)行不同的線性變換的一種算法。圖像灰度在經(jīng)過不同的線性變換后會(huì)得到不同程度的壓縮或擴(kuò)展，使得圖像灰度的分布情況發(fā)生不同的變化。本研究采用的是三段線性變換處理，其運(yùn)算公式如下：

(1)

圖1是該分段線性變換的曲線圖。圖中，原圖像的低灰度區(qū)間[0,a]通過線性變換被壓縮到區(qū)間[0,],對(duì)于中間灰度區(qū)間[a,b]，通過變換被擴(kuò)展到區(qū)間[,]，而高灰度區(qū)間[b,c]則被壓縮到區(qū)間[,c]。根據(jù)需要選擇特定的分段點(diǎn)和分段直線的斜率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定灰度區(qū)間的抑制或凸顯，改變圖像的灰度分布情況。

圖1灰度分段線性變換曲線

Fig1Piecewiselineartransformationcurveofgraylevel

由于肝臟超聲圖像中像素的灰度分布集中在中間區(qū)域，低區(qū)間和高區(qū)間的像素分布很少，因此，通過灰度的分段線性變換處理，使得更多的像素分布在低區(qū)間和高區(qū)間，同時(shí)使超聲圖像的強(qiáng)回聲信號(hào)更強(qiáng)，弱回聲信號(hào)更弱，從而增大了肝臟圖像中強(qiáng)回聲和弱回聲之間的對(duì)比，更加突出了圖像的脂肪肝特征[7-8]。

3 局部對(duì)比度增強(qiáng)處理

對(duì)超聲圖像進(jìn)行灰度的分段線性變換處理后，由于對(duì)圖像灰度進(jìn)行了壓縮和拉伸，使得一些圖像細(xì)節(jié)產(chǎn)生了模糊，降低了圖像分辨率。為了增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)，提高圖像質(zhì)量，本研究對(duì)分段線性變換后的圖像進(jìn)行局部對(duì)比度增強(qiáng)處理。

3.1 傳統(tǒng)的局部對(duì)比度增強(qiáng)處理

傳統(tǒng)的局部對(duì)比度增強(qiáng)算法為[9]：

f(i，j)=mx(i，j)+k×(x(i，j)-mx(i，j))

(2)

其中，x(i，j)、f(i，j)分別為輸入圖像與輸出圖像中點(diǎn)(i，j)的灰度值，mx(i，j)是以點(diǎn)(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均灰度值，k為放大系數(shù)。當(dāng)k>1時(shí)，若x(i，j)>mx(i，j)，則有f(i，j)>x(i，j)，該像素點(diǎn)灰度被增強(qiáng)；若，則有，該像素點(diǎn)灰度被減弱。

該算法通過增強(qiáng)比均值大的像素點(diǎn)，減弱比均值小的像素點(diǎn)，從而使圖像的對(duì)比度得到了增強(qiáng)，圖像的細(xì)節(jié)得到了強(qiáng)化。

3.2 改進(jìn)的局部對(duì)比度增強(qiáng)處理

針對(duì)傳統(tǒng)的局部對(duì)比度增強(qiáng)中放大系數(shù)不可調(diào)的缺陷，考慮利用局部標(biāo)準(zhǔn)差來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整放大系數(shù)，使對(duì)比度小的區(qū)域得到較大的增強(qiáng)，而對(duì)比度大的區(qū)域增強(qiáng)較小，從而實(shí)現(xiàn)放大系數(shù)可調(diào)的對(duì)比度增強(qiáng)，提高圖像的增強(qiáng)效果。實(shí)現(xiàn)算法為：

f(i，j)=η×(x(i，j)-mx(i，j))+mx(i，j)

(3)

其中，η為自適應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)，且η=k×Eg/σs，k為常數(shù)，Eg為整幅圖像的灰度均值，σs為鄰域內(nèi)的局部標(biāo)準(zhǔn)差。

在對(duì)超聲圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理的過程中，用局部標(biāo)準(zhǔn)差σs來度量該區(qū)域的對(duì)比度，用整幅圖像的標(biāo)準(zhǔn)差σg來度量圖像的總體對(duì)比度。當(dāng)某區(qū)域的對(duì)比度過高時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域的圖像細(xì)節(jié)已經(jīng)足夠明顯，不需要進(jìn)行增強(qiáng)；當(dāng)某區(qū)域的對(duì)比度過低時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)不含圖像細(xì)節(jié)，同樣不需要增強(qiáng)[10]。為此，只對(duì)對(duì)比度范圍為k1σs<σs

因此，本研究改進(jìn)的局部對(duì)比度增強(qiáng)算法如下：

(4)

其中，η為自適應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)，且η=k×Eg/σs，k為常數(shù)，Eg為整幅圖像的灰度均值，σs為鄰域內(nèi)的局部標(biāo)準(zhǔn)差，x(i，j)、f(i，j)分別為輸入圖像與輸出圖像中點(diǎn)(i，j)的灰度值，mx(i，j)是鄰域內(nèi)的平均灰度值，k1和k2均為小于1的常數(shù)。從式中可知，算法通過局部標(biāo)準(zhǔn)差來選定需要增強(qiáng)的區(qū)域，并且對(duì)不同對(duì)比度的區(qū)域進(jìn)行不同程度的增強(qiáng)，在增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的同時(shí)提高圖像的整體質(zhì)量[11]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，分別選取了比較典型的正常肝和輕度、中度以及重度脂肪肝超聲圖像各一幅，利用Matlab7.0軟件[12]，根據(jù)本研究提出的增強(qiáng)算法對(duì)這4幅圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，并與原圖像進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。其中，在對(duì)原圖像進(jìn)行灰度的分段線性變換時(shí)，把原圖像中的灰度區(qū)間[0,80]和[176,255]分別壓縮到區(qū)間[0,60]和[196,255]，再把灰度區(qū)間[81,175]拉伸到區(qū)間[61,195]。此后，采用改進(jìn)的局部對(duì)比度增強(qiáng)算法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，局部的鄰域取大小的掩膜，而常數(shù)k以及k1、k2的大小取經(jīng)驗(yàn)值為k=0.48，k1=0.02，k2=0.5。

由于正常肝圖像中的細(xì)節(jié)最為豐富，先對(duì)比圖2中的(a1)和(b1)，可以看出經(jīng)過圖像增強(qiáng)后，圖像的細(xì)節(jié)更為突出，圖像分辨率更高，特別是對(duì)比紅色方框內(nèi)的血管結(jié)構(gòu)可以看出，增強(qiáng)后血管結(jié)構(gòu)顯示更為清晰。

再把圖2中輕度、中度和重度脂肪肝的增強(qiáng)前后圖像進(jìn)行分組對(duì)比，可以看出，對(duì)于輕度脂肪肝，圖像增強(qiáng)后前場和后場間的衰減程度并沒有明顯的變化，而且也沒有呈現(xiàn)“亮肝”現(xiàn)象，只是圖像整體視覺上變得稍微暗了一點(diǎn)；對(duì)于中度脂肪肝，經(jīng)過增強(qiáng)處理后圖像的前后場衰減程度有了一定的增大，同時(shí)前場的“亮肝”現(xiàn)象也變得比較明顯；而對(duì)于重度脂肪肝，在增強(qiáng)后圖像的前后場衰減程度有了很大的加重，并且前場的“亮肝”現(xiàn)象變得十分明顯。因此通過以上結(jié)果得出，經(jīng)過圖像增強(qiáng)后，不同程度脂肪肝超聲圖像之間的特征對(duì)比更加明顯，相互之間的特征差異更大。

圖2 正常肝和不同程度脂肪肝圖像在進(jìn)行增強(qiáng)處理前后的對(duì)比

5 結(jié)論

本研究針對(duì)超聲圖像對(duì)脂肪肝的分級(jí)診斷提出了一種由灰度的分段線性變換處理和改進(jìn)的局部對(duì)比度增強(qiáng)處理相結(jié)合的圖像增強(qiáng)算法，該算法能夠凸顯超聲圖像的脂肪肝特征，使得正常肝和不同程度脂肪肝之間的特征差異更明顯，同時(shí)增強(qiáng)了圖像細(xì)節(jié)，提高了圖像的整體質(zhì)量，更加便于診斷醫(yī)師對(duì)肝臟的脂肪病變程度做出準(zhǔn)確的診斷。